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EP0271659A2 - Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses eines strömenden Mediums - Google Patents

Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses eines strömenden Mediums Download PDF

Info

Publication number
EP0271659A2
EP0271659A2 EP87114739A EP87114739A EP0271659A2 EP 0271659 A2 EP0271659 A2 EP 0271659A2 EP 87114739 A EP87114739 A EP 87114739A EP 87114739 A EP87114739 A EP 87114739A EP 0271659 A2 EP0271659 A2 EP 0271659A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resistor
heating resistor
heating
fastening
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP87114739A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0271659B1 (de
EP0271659A3 (en
Inventor
Ulrich. Dr. Dipl.-Phys. Kuhn
Sybille Stumpf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP0271659A2 publication Critical patent/EP0271659A2/de
Publication of EP0271659A3 publication Critical patent/EP0271659A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0271659B1 publication Critical patent/EP0271659B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
    • G01F1/692—Thin-film arrangements

Definitions

  • the invention relates to a device for determining the mass of a flowing medium according to the preamble of the main claim.
  • a device with two resistors designed as layers on a carrier is already known, of which the first layer serves as a heating resistor and is attached directly to the carrier, while the second layer is designed as a temperature-dependent measuring resistor and below Intermediate layer of an electrical insulating layer rests on the first layer.
  • the insulation layer separating the heating resistor and measuring resistor is so thin that good heat transfer from the heating resistor to the measuring resistor is possible. Changes in the mass flow lead to a changed heat transfer on the surface of the measuring resistor and carrier and, since the measuring resistor is temperature-dependent, to a change in the electrical resistance of the measuring resistor.
  • the electrical power supplied to the heating resistor serves as a measure of the mass of the flowing medium.
  • An additional temperature-dependent resistor which is arranged on a further carrier, serves to compensate for the temperature of the medium.
  • a disadvantage of this known device is that not only the heat flow delivered convectively to the medium to be measured is detected, but also the heat flow which passes from the carrier to the holder of the carrier due to heat conduction. Since the carrier has a large heat capacity compared to the resistors, such an undesired heat transfer leads to a delayed switch-on process until the required operating temperature of the measuring arrangement is reached and to a slow response to changes in the mass of the flowing medium. The adjustment or restoration of the temperature profile according to the stationary temperature profile takes place only after a certain time has elapsed. This is due to the large temperature gradient at the transition point between the heated and unheated zones of the wearer.
  • the known device also has the disadvantage of a high tendency to become soiled, since, in particular when the device is used in the intake pipe of an internal combustion engine, dirt particles from the intake pipe atmosphere accumulate on the front edge of the measuring resistor and lead to a negative influence on the measurement result during prolonged operation.
  • a device for determining the mass of a flowing medium is already known (DE-PS 31 27 081), in which the heating power is not over the entire area of a heatable measuring device is constant, but decreases in the direction of the medium flow. This is achieved in that the width of the resistance tracks running transversely to the direction of the flow increases in the flow direction. This makes it possible to keep the temperature of the measuring resistor constant over the length covered by the flow.
  • the invention has for its object to develop a device for determining the mass of a flowing medium, which has a short switch-on time, a short response time to changes in flow and a high measuring accuracy even with prolonged use.
  • the device according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage of a short switch-on time and a short response time to changes in the mass of the flowing medium, since the distribution of the heating power of the heating resistor and the position of the heating resistor relative to the measuring resistor are dimensioned such that a heat drain to the carrier and from there to attach the carrier has no influence on the measurement result.
  • This advantage is achieved in that the heating resistor extends further than the measuring resistor in the direction of the fastening of the carrier and in that the local resistance value of the heating resistor decreases in the direction of the fastening.
  • the steady-state temperature profile of the measuring resistor is quickly reached again, since the temperature profile generated by the heating resistor in the carrier and thus in the measuring resistor has no major shoulders and discontinuities. Due to the rather “gentle” course of the temperature gradient in the carrier, the heat emissions within the plane of the carrier remain low.
  • the device according to the invention also offers the advantage of using lower heating currents than known devices.
  • the measures listed in the subclaims enable advantageous developments and improvements of the device for determining the mass of a flowing medium specified in the main claim. It is particularly advantageous to incorporate at least one thermally insulating slot in the carrier in order to prevent a disturbing heat flow from and to the resistors.
  • the heating resistor and measuring resistor are arranged at a not too short distance from the leading edge of the carrier, in order to keep the tendency to contamination in the area of the heating and measuring resistor low.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram for the invention
  • FIG. 2 shows an inventive device for determining the mass of a flowing medium
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the invention as a detail from FIG.
  • reference numeral 1 denotes a tube through which a medium flows, the direction of flow of the medium being indicated by an arrow 2.
  • the pipe 1 can be, for example, the intake pipe of an internal combustion engine.
  • a resistance R H is introduced, which is used to measure the flow rate through the pipe 1 and which is referred to below as the measuring resistor.
  • This measuring resistor R H is formed as a sheet resistor or film resistor on a substrate, not shown in Figure 1 and is part of a bridge detection resistor arrangement 3.
  • This resistance detection arrangement 3 is supplemented by the resistors R K , R2 and R3 and is designed as a resistance measuring bridge.
  • the resistors R2 and R K or R3 and R H are connected in series in each bridge branch.
  • the connecting lines of the resistors R K and R H are brought together in a point 6.
  • a control amplifier 7 the signals of a point 9 as a connection point of the resistors R K and R2 and a point 10 as a connection point of the resistors R H and R3 are supplied.
  • the control amplifier 7 is designed, for example, as a differential amplifier, but the invention is not restricted to such differential amplifiers, but is generally applicable to any analog and digital control function.
  • the output variable of the control amplifier 7 is fed to a resistor R S , the other connecting line of which is connected to the point 6, so that a closed loop is formed overall.
  • the resistance detection arrangement 3 can be realized not only by a bridge circuit, but also by other resistance measuring circuits.
  • a bridge circuit is therefore not absolutely necessary to implement the invention; bridge-like measuring circuits are also conceivable.
  • the output current of the control amplifier 7 heats up the resistor R S , referred to below as the heating resistor, the heating power at this resistor being essentially determined by the bridge diagonal voltage at the control amplifier 7.
  • the heating resistor R S is designed so that it is in direct thermal contact with the measuring resistor R H. Due to the good thermal contact between R S and R H , the measuring resistor R H is brought to an excess temperature that is far above the medium temperature. If the flow quantity flowing through the tube 1 changes, the temperature of the measuring resistor R H changes due to the changed convective heat transfer and, since the measuring resistor R H has a non-zero temperature coefficient, the resistance detection arrangement 3 is detuned, the control amplifier 7 then changes the output current, which leads to the heating resistor R S.
  • the resistor R K referred to below as the compensation resistor, is used, which, like the heating resistor R S and the measuring resistor R H , is layered and is likewise exposed to the flowing medium.
  • the adjustment of the compensating resistor R K - for example by meandering cuts - takes place in such a way that the temperature coefficient of the compensating resistor R and K of the measuring resistor R H have a predetermined relationship to one another depending on the evaluation method for detecting the signal size.
  • the resistance detection arrangement 3 is completed by a first reference resistor R2, which is located between base 5 and point 9, and a second reference resistor R3, which is located between base 5 and point 10. It is not necessary to expose the reference resistors R2 and R3 to the flowing medium, but R2 and R3 should be in the closest possible thermal contact to one another, which eliminates the need for a close tolerance of the temperature coefficient of the resistors R2 and R3.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the invention with heating resistor R S , measuring resistor R H and compensation resistor R K. All of these resistors are arranged as thin layers on a plate-shaped substrate 20 serving as a carrier, which is approximately rectangular and which is fastened on one of its narrow sides in the area of a fastening 21 to the pipe 1 through which the medium to be measured flows. Transversely to the medium flow direction indicated by arrows 23, a slot 25 is introduced in the substrate 20, which begins on the side of the substrate 20 facing away from the attachment 21 and which extends to close to the attachment 21. The slit 25 divides the substrate 20 into a first lip 32 and a second lip 33.
  • the first lip 32 is delimited on the one hand by a leading edge 35 of the substrate 20 which is directed against the flow and on the other hand by the slot 25; the second lip 33 of the substrate 20 is delimited on the one hand by the slot 25 and on the other hand by a trailing edge 36 of the substrate 20.
  • the resistors R S , R H and R K each cover the part of the lips 32, 33 facing away from the fastening 21 and are advantageously arranged such that the compensation resistor R K on the first lip 32 and the measuring resistor R H is arranged on the second lip 33.
  • the compensation resistor R K on the first lip 32 and the measuring resistor R H is arranged on the second lip 33.
  • the heating resistor R S is located on the side of the second lip 33 of the substrate 20 facing away from the measuring resistor R H and, like the measuring resistor R H , extends to the edge of the second lip 33 facing away from the fastening 21
  • the measuring resistor R H is thus arranged on one side and the heating resistor R S on the other side of the second lip 33 of the substrate 20, R H and R S are in thermal contact with one another with the interposition of the highly thermally conductive substrate 20.
  • the length of the slot 25 is dimensioned such that it extends further in the direction of the attachment 21 than each of the resistors R S , R H and R K , whereby a very good thermal separation of the lips 32, 33 and thus also of the individual resistors is achieved .
  • the manufacture of the device can be significantly simplified if those resistance layers which form the compensation resistor R K and the measuring resistor R H consist of the same material and are produced in the same manufacturing step.
  • the resistance layers can be provided with meandering structures to produce the required individual resistance. This can be done, for example, by laser cuts, not shown in the drawing.
  • the heating resistor R S extends further in the direction of the fastening 21 than the measuring resistor R H.
  • This geometrical arrangement of the measuring resistor R H ensures that the heated zone of the substrate 20 defined by the expansion of the heating resistor R S projects further in the direction of the fastening 21 than the measuring resistor R H - a disturbing heat flow from the area of the measuring resistor R H in the direction of the attachment 21 is prevented in this way, the response speed of the measuring resistor R H to changes in flow rate is thereby increased, since a new temperature profile does not have to occur at the measuring resistor R H in the case of flow changes.
  • the local electrical resistance of the heating resistor R S is designed such that the resistance per unit area (ie the specific resistance) is greatest at the end of the substrate 20 facing away from the mounting 21 and decreases in the direction of the mounting 21.
  • Such a coordination of the local resistance can take place, for example, by meandering the resistance layer of the heating resistor R S , that is to say by removing resistance material, for example by means of a laser, but various other measures can also be used successfully.
  • FIG. 3 shows, as a detail from FIG. 2, an expedient meandering of the heating resistor R S.
  • the heating resistor R S is divided into a plurality of heating areas 41, 42, 43, 44 formed by resistance tracks 45, the width of the resistance tracks 45 of the respective heating areas 41, 42, 43, 44 and thus also their cross-sectional area in the direction of the fastening 21 increases, the resistance per unit area thus decreases.
  • the temperature profile generated by the heating resistor R S within the substrate 20 and the measuring resistor R H thus decreases in the direction of the fastening 21.
  • the layout of the heating resistor R S can be designed so that the resistance tracks 45 in the direction of flow run or, as shown in Figure 3, transverse to the direction of flow or in any other way.
  • the current supply to the heating resistor R S can be provided by current paths 46 attached to the substrate 20. This applies in the same way to the current supply to the resistors R H and R K.
  • the idea on which the invention is based is not restricted to the exemplary embodiment described.
  • the measuring resistor R H can also be attached in a different form relative to the heating resistor R S.
  • the particular advantage of this variant is that the electrically insulating layer can be produced in a smaller thickness than the substrate 20, the material thickness of which is responsible for the stability of the device and is therefore subject to certain restrictions.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums mit einem Substrat (20) als Träger und einer auf dem Substrat (20) angeordneten Widerstandsanordnung vorgeschlagen, welche unter anderem einen schichtförmigen Meßwiderstand (RH) umfaßt sowie einen mit diesem in thermischem Kontakt stehenden, ebenfalls schichtförmigen Heizwiderstand (RS), dessen Heizleistung so geregelt wird, daß der Meßwiderstand (RH) einen konstanten elektrischen Widerstand aufweist, wobei die Heizleistung des Heizwiderstandes (RS) ein Maß für die Masse des strömenden Mediums ist. Die Fläche von (RS) ist größer als dei Fläche von (RH) und erstreckt sich weiter in Richtung auf eine Befestigung (21) des Substrates (20) hin, um einen Wärmeabfluß aus dem Bereich des Meßwiderstandes (RH) zu verhindern. Durch geeignete Maßnahmen, etwa eine Mäandrierung des Heizwiderstandes (RS), wird erreicht, daß der örtliche Widerstandswert des Heizwiderstandes (RS) quer zur Richtung der Strömung in Richtung auf die Befestigung (21) hin abnimmt. Die durch den Heizwiderstand (RS) innerhalb des Substrates (20) und des Meßwiderstandes (RH) erzeugte Temperatur nimmt also in Richtung auf die Befestigung (21) hin ab.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Bestimmung der Mas­se eines strömenden Mediums nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der US-PS 43 99 697 ist bereits eine Vorrichtung mit zwei als Schichten auf einem Träger ausgebildeten Widerständen bekannt, von denen die erste Schicht als Heizwiderstand dient und unmittelbar auf dem Träger befestigt ist, während die zweite Schicht als tempera­turabhängiger Meßwiderstand ausgebildet ist und unter Zwischenlage einer elektrische isolierenden Schicht auf der ersten Schicht auf­liegt. Die Heizwiderstand und Meßwiderstand trennende Isolations­schicht ist so dünn, daß ein guter Wärmeübergang vom Heizwiderstand auf den Meßwiderstand möglich ist. Änderungen des Massenstromes füh­ren zu einem veränderten Wärmeübergang an der Oberfläche von Meß widerstand und Träger und, da der Meßwiderstand temperaturabhängig ist, zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes des Meßwider­standes. Hierdurch kommt es zur Verstimmung einer Meßschaltung, wel­che durch Veränderung des Heizstromes am Heizwiderstand kompensiert wird. Als Maß für die Masse des strömenden Mediums dient die dem Heizwiderstand zugeführte elektrische Leistung. Ein zusätzlicher temperaturabhängiger Widerstand, wlecher auf einem weiteren Träger angeordnet ist, dient der Kompensation der Temperatur des Mediums.
  • Nachteilig an dieser bekannten Vorrichtung ist, daß nicht nur der an das zu messende Medium konvektiv abgegebene Wärmestrom erfaßt wird, sondern auch der Wärmestrom, welcher durch Wärmeleitung vom Träger an die Halterung des Trägers übergeht. Da der Träger über eine im Vergleich zu den Widerständen große Wärmekapazität verfügt, führt ein solcher unerwünschter Wärmeübergang zu einem verzögerten Ein­schaltvorgang bis zum Erreichen der erforderlichen Betriebstempera­tur der Meßanordnung sowie zu einem langsamen Ansprechen auf Ände­rungen der Masse des strömenden Mediums. Die Anpassung bzw. Wieder­herstellung des Temperaturprofils entsprechend des stationären Tem­peraturprofils erfolgt erst nach dem Ablauf einer gewissen Zeit. Verantwortlich dafür ist das große Temperaturgefälle an der Über­gangsstelle zwischen beheizter und unbeheizter Zone des Trägers. An derartigen Stellen mit großen Temperaturgradienten sind seitliche Wärmeabflüsse besonders stark ausgeprägt, da Wärme bekanntlich in Richtung des abnehmenden Temperaturgradienten strömt. Während der Zeit des Temperaturausgleichs ist die dem Heizwiderstand zugeführte elektrische Energie nur fehlerbehaftet als Maß für die Masse des strömenden Mediums wertbar. Bei Verwendung der Bekannten Vorrichtung zur Erfassung der Ansaugluftmasse bei einer Brennkraftmaschine kann es dadurch zu zeitweisen Ungenauigkeiten bei der Anpassung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kommen.
  • Die bekannte Vorrichtung weist außerdem den Nachteil einer hohen Verschnutzungsneigung auf, da, insbesondere bei Verwendung der Vor­richtung im Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine, Schmutzpartikel aus der Saugrohratmosphäre sich an der vorderen Kante des Meßwiderstan­des anlagern und bei längerem Betrieb zu einer negativen Beeinflus­sung des Meßergebnisses führen.
  • Es ist außerdem bereits eine Vorrichtung zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums bekannt (DE-PS 31 27 081), bei welcher die Heizleistung nicht über der gesamten Fläche eines heizbaren Meßwi­ derstandes konstant ist, sondern in richtung der Mediumströmung ab­nimmt. Dies wird erreicht, indem die Breite der quer zur Richtung der Strömung verlaufenden Widerstandsbahnen in Strömungsrichtung zu­nimmt. Hierdurch gelingt es, die Temperatur des Meßwiderstandes über der von der Strömung überstrichenen Länge konstant zu halten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Be­stimmung der Masse eines strömenden Mediums zu entwickeln, die eine kurze Einschaltzeit, eine kurze Ansprechzeit auf Durchflußänderungen sowie auch bei längerem Gebrauch eine hohe Meßgenauigkeit aufweist.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs weist den Vorteil einer kurzen Einschaltzeit so­wie einer kurzen Ansprechzeit auf Änderungen der Masse des strömen­den Mediums auf, da die Verteilung der Heizleistung des Heizwider­standes sowie die Lage des Heizwiderstandes relativ zum Meßwider­stand so bemessen sind, daß ein Wärmeabfluß zum Träger und von dort zur Befestigung des Trägers keinen Einfluß auf das Meßergebnis hat. Dieser Vorteil wird erreicht, indem sich der Heizwiderstand weiter als der Meßwiderstand in Richtung auf die Befestigung des Trägers hin erstreckt und indem der lokale Widerstandswert des Heizwider­standes in Richtung auf die Befestigung hin abnimmt. Das stationäre Temperaturprofil des Meßwiderstandes ist schnell wieder erreicht, da das vom Heizwiderstand im Träger und damit im Meßwiderstand erzeugte Temperaturprofil keine größeren Absätze und Unstetigkeiten aufweist. Durch den eher "sachten" Verlauf des Temperaturgefälles im Träger bleiben die Wärmeabfüsse innerhalb der Ebene des Trägers gering. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet außerdem den Vorteil, mit geringeren Heizströmen auszukommen als bekannte Vorrichtungen.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums möglich. Vorteilhaft ist es insbesondere, zur Verhinderung eines störenden Wärmeflusses von und zu den Widerständen mindestens einen thermisch isolierenden Schlitz in den Träger einzuarbeiten.
  • Weiterhin ist es von Vorteil, Heizwiderstand und Meßwiderstand in einem nicht zu geringen Abstand von der Anströmkante des Trägers an­zuordnen, um auf diese Weise die Verschmutzungsneigung im Bereich von Heiz- und Meßwiderstand gering zu halten.
  • Weitere Widerstände der Vorrichtung sind vorteilhafterweise auf dem gleichen Träger untergebracht. Da die Auswirkungen einer Verschmut­zung bei diesen Widerständen nicht so gravierend sind wie beim Meß­widerstand, können diese stromaufwärts des Meßwiderstandes plaziert werden.
    • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt ein Schaltbild zu der Erfindung, Figur 2 eine erfin­dungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums, Figur 3 als Ausschnitt aus Figur 2 eine weitere Ausfüh­rungsform der Erfindung.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In Figur 1 ist mit der Bezugsziffer 1 ein von einem Medium durch­strömtes Rohr bezeichnet, wobei die Strömungsrichtung des Mediums mit einem Pfeil 2 gekennzeichnet wird. Das Rohr 1 kann beispiels­weise das Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine sein. In das strömende Medium ist ein Widerstand RH eingebracht, der zur Erfassung der Durchflußmenge durch das Rohr 1 dient und der im folgenden als Meß­widerstand bezeichnet wird. Dieser Meßwiderstand RH ist als Schichtwiderstand oder Filmwiderstand auf einem in Figur 1 nicht dargestellten Substrat ausgebildet und ist Bestandteil einer bei­spielswiese als Brückenschaltung ausgebildeten Widerstandserfas­sungsanordnung 3. Diese Widerstandserfassungsanordnung 3 wird er­gänzt durch die Widerstände RK, R₂ und R₃ und ist als Wider­standsmeßbrücke angelegt. Ausgehend von einem Fußpunkt 5 sind in jeweils einem Brückenzweig die Widerstände R₂ und RK bzw. R₃ und RH in Reihe geschaltet. Die Anschlußleitungen der Widerstände RK und RH sind in einem Punkt 6 zusammengeführt. Einem Regelver­stärker 7 werden die Signale eines Punktes 9 als Verbindungspunkt der Widerstände RK und R₂ sowie eines Punktes 10 als Verbin­dungspunkt der Widerstände RH und R₃ zugeführt.
  • Der Regelverstärker 7 ist zum Beispiel als Differenzverstärker aus­gebildet, wobei die Erfindung jedoch nicht auf derartige Differenz­verstärker beschränkt ist, sondern im allgemeinen auf jede analoge und digitale Regelfunktion anwendbar ist.
  • Die Ausgangsgröße des Regelverstärkers 7 wird einem Widerstand RS zugeführt, dessen andere Anschlußleitung mit dem Punkt 6 in Verbin­dung steht, so daß insgesamt eine geschlossene Schleife entsteht.
  • Es soll betont werden, daß die Widerstandserfassungsanordnung 3 nicht nur durch eine Brückenschaltung, sondern auch durch andere Widerstandsmeßschaltungen realisierbar ist. Zur Realisierung der Er­findung ist daher nicht unbedingt eine Brückenschaltung erforder­lich, auch brückenähnliche Meßschaltungen sind denkbar.
  • Die prinzipielle Wirkungsweise dieser Anordnung ist wie folgt:
  • Durch den Ausgangsstrom des Regelverstärkers 7 erfolgt eine Aufhei­zung des im folgenden als Heizwiderstand bezeichneten Widerstandes RS, wobei die Heizleistung an diesem Widerstand im wesentlichen durch die Brückendiagonalspannung am Regelverstärker 7 bestimmt ist. Der Heizwiderstand RS ist so ausgeführt, daß er in möglichst un­mittelbarem Wärmekontakt mit dem Meßwiderstand RH steht. Durch den guten Wärmekontakt zwischen RS und RH wird der Meßwiderstand RH auf eine weit oberhalb der Mediumtemperatur liegende Übertempe­ratur gebracht. Ändert sich nun die das Rohr 1 durchfließende Strö­mungsmenge, so ändert sich aufgrund der veränderten konvektiven Wär­meübertragung die Temperatur des Meßwiderstandes RH und es wird, da der Meßwiderstand RH einen von Null verschiedenen Temperatur­koeffizienten aufweist, die Widerstandserfassunganordnung 3 ver­stimmt, der Regelverstärker 7 verändert daraufhin den Ausgangsstrom, welcher zum Heizwiderstand RS führt. Über die geschlossene Schlei­fe werden also Änderungen des Meßwiderstandes RH infolge einer ab- oder zufließenden Wärmemenge stets durch Änderung der Heizlei­stung des Heizwiderstandes RS kompensiert, so daß der Meßwider­stand RH auf einem bestimmten Widerstandswert gehalten wird. Der Heizstrom, die Heizleistung bzw. die Ausgangsspannung UA des Re­gelverstärkers 7 sind ein Maß für die Durchflußmasse des strömenden Mediums.
  • Da der Heizstrom, die Heizleistung bzw. die Ausgangsspannung UA des Regelverstärkers 7 jedoch zusätzlich auch von der Temperatur des Strömungsmediums abhängen, müssen Temperaturschwankungen des Strö­mungsmediums kompensiert werden. Hierzu dient der im folgenden als Kompensationswiderstand bezeichnete Widerstand RK, welcher, ebenso wie der Heizwiderstand RS und der Meßwiderstand RH, schichtför­mig ausgebildet und ebenfalls dem strömenden Medium ausgesetzt ist. Der Abgleich des Kompensationswiderstandes RK - etwa durch mäan­drierte Schnitte - erfolgt in der Weise, daß die Temperaturkoeffi­zienten des Kompensationswiderstandes RK und des Meßwiderstandes RH je nach Auswerteverfahren zur Erfassung der Signalgröße in ei­ner vorgegebenen Beziehung zueinander stehen.
  • Die Widerstandserfassungsanordnung 3 wird vervollständigt durch ei­nen ersten Referenzwiderstand R₂, welcher sich zwischen Fußpunkt 5 und Punkt 9 befindet, sowie einen zweiten Referenzwiderstand R₃, welcher sich zwischen Fußpunkt 5 und Punkt 10 befindet. Es ist nicht notwendig, die Referenzwiderstände R₂ und R₃ dem strömenden Me­dium auszusetzen, jedoch sollten R₂ und R₃ in möglichst engem Wärmekontakt zueinander stehen, wodurch sich eine enge Tolerierung des Temperaturkoeffizienten der Widerstände R₂ und R₃ erübrigt.
  • Die Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit Heizwider­stand RS, Meßwiderstand RH und Kompensationswiderstand RK. Al­le diese Widerstände sind als dünne Schichten auf einem als Träger dienenden, plattenförmigen Substrat 20 angeordnet, welches etwa rechteckförmig ist und welches an einer seiner schmalen Seiten im Bereich einer Befestigung 21 am vom zu messenden Medium durchström­ten Rohr 1 befestigt ist. Quer zu der mit Pfeilen 23 bezeichneten Mediumströmungsrichtung ist im Substrat 20 ein Schlitz 25 einge­bracht, welcher an der der Befestigung 21 abgewandten Seite des Sub­strates 20 beginnt und welcher bis nahe an die Befestigung 21 reicht. Durch den Schlitz 25 wird das Substrat 20 in eine erste Lip­pe 32 und eine zweite Lippe 33 unterteilt. Dabei ist die erste Lippe 32 einerseits durch eine der Strömung entgegengerichtete Anström­kante 35 des Substrates 20 begrenzt und andererseits durch den Schlitz 25; die zweite Lippe 33 des Substrates 20 ist einerseits durch den Schlitz 25 und andererseits durch eine Abströmkante 36 des Substrates 20 begrenzt.
  • Die Widerstände RS, RH und RK bedecken jeweils den der Befe­stigung 21 abgewandten Teil der Lippen 32, 33 und sind vorteilhaf­terweise so angeordnet, daß der Kompensationswiderstand RK auf der ersten Lippe 32 und der Meßwiderstand RH auf der zweiten Lippe 33 angeordnet ist. Der Heizwiderstand RS befindet sich bei dem Aus­führungsbeispiel entsprechend der Figur 2 auf der dem Meßwiderstand RH abgewandten Seite der zweiten Lippe 33 des Substrates 20 und reicht, ebenso wie der Meßwiderstand RH, bis an den der Befesti­gung 21 abgewandten Rand der zweiten Lippe 33. Der Meßwiderstand RH ist somit auf der einen und der Heizwiderstand RS auf der an­deren Seite der zweiten Lippe 33 des Substrates 20 angeordnet, RH und RS stehen unter Zwischenlage des gut wärmeleitenden Substrates 20 in thermischem Kontakt zueinander.
  • Die Länge des Schlitzes 25 ist so bemessen, daß dieser weiter in Richtung zur Befestigung 21 reicht als jeder der Widerstände RS, RH und RK, wodurch eine sehr gute thermische Trennung der Lippen 32, 33 und damit auch der einzelnen Widerstände erreicht wird.
  • Die Fertigung der Vorrichtung kann wesentlich vereinfacht werden, wenn jene Widerstandsschichten, welche den Kompensationswiderstand RK und den Meßwiderstand RH bilden, aus dem gleichen Material bestehen und im gleichen Fertigungsschritt hergestellt werden. Die Widerstandsschichten können zur Herstellung des erforderlichen indi­viduellen Widerstands mit Mäanderstrukturen versehen werden. Dies kann etwa durch in der Zeichnung nicht dargestellte Laserschnitte erfolgen.
  • Um Wärmeströmungen aus dem Bereich des Meßwiderstandes RH in Rich­tung auf die Befestigung 21 zu verhindern, erstreckt sich der Heiz­widerstand RS weiter in Richtung auf die Befestigung 21 als der Meßwiderstand RH. Durch diese geometrische Anordnung des Meßwider­standes RH wird erreicht, daß die durch die Ausdehnung des Heiz­widerstandes RS festgelegte aufgeheizte Zone des Substrates 20 weiter in Richtung zur Befestigung 21 hin ragt als der Meßwiderstand RH - ein störender Wärmeabfluß aus dem Bereich des Meßwiderstandes RH in Richtung zur Befestigung 21 wird auf diese Weise verhindert, die Ansprechgeschwindigkeit des Meßwiderstandes RH auf Durchfluß­änderungen damit vergrößert, da sich bei Durchflußänderungen nicht jeweils ein neues Temperaturprofil am Meßwiderstand RH einstellen muß.
  • Erfindungsgemäß ist der örtliche elektrische Widerstand des Heiz­widerstandes RS so ausgelegt, daß der Widerstand je Flächeneinheit (d.h. der spezifische Widerstand) an dem der Befestigung 21 abge­wandten Ende des Substrates 20 am größten ist und in richtung auf die Befestigung 21 hin abnimmt. Eine derartige Abstimmung des ört­lichen Widerstandes kann z.B. durch Mäandrieren der Widerstands­schicht des Heizwiderstandes RS erfolgen, also durch das Abtragen von Widerstandsmaterial, z.B.mittels Laser, jedoch können auch ver­schiedene andere Maßnahmen mit Erfolg angewendet werden. So ist es beispielsweise möglich, durch geeignete Schichtung mehrerer, ver­schieden weit in Richtung auf die Befestigung 21 reichender oder ei­ne unterschiedliche Lage auf dem Substrat 20 einnehmender Wider­standsschichten das gewünschte Widerstandsprofil zu erhalten oder Widerstandsschichten mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen nebeneinander liegend auf dem Substrat 20 anzuordnen.
  • Figur 3 zeigt als Ausschnitt aus Figur 2 eine zweckdienliche Mäan­drierung des Heizwiderstandes RS. Der Heizwiderstand RS ist da­bei in mehrere durch Widerstandsbahnen 45 gebildete Heizbereiche 41, 42, 43, 44 unterteilt, wobei die Breite der Widerstandsbahnen 45 der jeweiligen Heizbereiche 41, 42, 43, 44 und damit auch deren Quer­schnittsfläche in Richtung auf die Befestigung 21 hin zunimmt, der Widerstand je Flächeneinheit somit abnimmt. Das durch den Heizwider­stand RS innerhalb des Substrates 20 und des Meßwiderstandes RH erzeugte Temperaturprofil verläuft also in Richtung auf die Befesti­gung 21 hin abnehmend. Das Layout des Heizwiderstandes RS kann so gestaltet sein, daß die Widerstandsbahnen 45 in Strömungsrichtung verlaufen oder, wie in Figur 3 dargestellt, quer zur Strömungsrich­tung oder in beliebiger anderer Weise.
  • Sowohl Berechnungen als auch Versuche haben ergeben, daß durch die vorgeschlagene Profilierung des Heizwiderstandes RS die Einschalt­zeit verkürzt sowie die Ansprechgeschwindigkeit der Vorrichtung auf Änderungen der Masse des strömenden Mediums beschleunigt werden kann, wobei als zusätzlicher Vorteil noch eine verringerte Stromauf­nahme des Heizwiderstandes RS zu nennen ist.
  • Die Stromzufuhr zum Heizwiderstand RS kann durch auf dem Substrat 20 befestigte Strombahnen 46 erfolgen. Dies gilt in gleicher Weise für die Stromzufuhr zu den Widerständen RH und RK.
  • Selbstverständlich ist der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Neben den bereits erwähnten unterschiedlichen Möglichkeiten, innerhalb des Heizwiderstandes RS ein Widerstandsprofil zu erreichen, kann auch die Anbringung des Meßwiderstandes RH relativ zum Heizwiderstand RS in einer anderen Form erfolgen. So ist es beispielsweise mög­lich, den Meßwiderstand RH unter Zwischenlage einer elektrisch isolierenden Schicht durch den Heizwiderstand RS zu unterlegen. Der besondere Vorteil dieser Variante liegt darin, daß die elek­trisch isolierende Schicht in geringerer Dicke hergestellt werden kann als das Substrat 20, dessen Materialdicke für die Stabilität der Vorrichtung verantwortlich ist und damit gewissen Beschränkungen unterliegt.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums mit einem in der zu messenden Strömung mittels einer Befestigung gehal­tenen Substrat, auf welchem sich ein schichtförmiger, temperatur­abhängiger Meßwiderstand befindet sowie ein über eine Widerstands­erfassungsanordnung in Abhängigkeit von der Masse des strömenden Me­diums regelbarer Heizwiderstand, der ebenfalls schichtförmig ist und der unter Zwischenlage einer elektrisch isolierenden Schicht vom Meßwiderstand getrennt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich der Heizwiderstand (RS) weiter als der Meßwiderstand (RH) in Richtung auf die Befestigung (21) hin erstreckt und daß der Widerstandswert je Flächeneinheit des Heizwiderstandes (RS) in Richtung auf die Befestigung (21) hin abnimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (RS) in einzelne Widerstandsbahnen (45) von in Richtung auf die Befestigung (21) hin zunehmender Querschnittsfläche unterteilt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wi­derstandsbahnen (45) in Strömungsrichtung des Mediums verlaufen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wi­derstandsbahnen (45) quer zur Strömungsrichtung des Mediums verlau­fen (Figur 3).
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (RS) sich aus mindestens zwei Widerstandsschichten zusammensetzt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die min­destens zwei Widerstandsschichten in einer Ebene nebeneinander lie­gend angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die min­destens zwei Widerstandsschichten in übereinander geschichteten Ebe­nen angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­kennzeichnet, daß sich Heizwiderstand (RS) und Meßwiderstand (RH) stromabwärts eines quer zur Strömungsrichtung in Richtung auf die Befestigung (21) hin im Substrat (20) eingebrachten Schlitzes (25) befinden.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Schlitz (25) weiter als der Heizwiderstand (RS) in Richtung auf die Befestigung (21) hin erstreckt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich stromaufwärts des Schlitzes (25) ein weiterer Widerstand (RK) auf dem Substrat (20) befindet.
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